Расчет трехфазного управляемого выпрямителя схема Миткевича

Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет Украины

"Киевский политехнический институт"

Факультет электроники

Кафедра промышленной электроники

Курсовая работа

по курсу

"Электронные системы управления и регулирования"

на тему

"Расчет трехфазного управляемого выпрямителя (схема Миткевича)"

2006

Содержание

Введение

1. Разработка схемы устройства, краткое описание принципа действия системы управления

2. Расчет силовой части и выходных каскадов системы управления

3. Расчет пускового режима

4. Расчет устойчивости системы в "малом" для установившегося режима

Вывод

Литература

Приложения

Введение

Проектирование схем вентильных преобразователей является одним из важных направлений в силовой преобразовательной схемотехнике.

Основа проектирования современных силовых преобразователей – методы расчета процессов в силовых цепях с вентилями, которые по своей математической модели являются удобными для анализа и синтеза преобразовательных схем.

1. Разработка схемы устройства, краткое описание принципа действия системы управления

Разработанная схема устройства приведена в приложении 1.

Трехфазные выпрямители

Схемы выпрямителей трехфазного питания применяются в основном для питания потребителей средней и большой мощности. Первичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей состоит из трех фаз и соединяется либо в звезду, либо в треугольник. Вторичные обмотки трансформатора (их может быть несколько) также трехфазные. С помощью специальных схем соединения вторичных обмоток и всего выпрямителя можно получить выпрямление напряжение с числом пульсаций за период , кратным трем. С увеличением числа пульсаций в выпрямленном напряжении значительно сокращаются габаритные размеры сглаживающих электрических фильтров либо вообще отпадает необходимость в них.

Выпрямители трехфазного питания равномерно нагружают сеть трехфазного тока и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора.

Схемы выпрямителей трехфазного питания используются для питания статических нагрузок активного и активно-индуктивного характера, статических нагрузок с противо-э.д.с., а также динамических нагрузок в виде электродвигателей постоянного тока. Последний вид нагрузки следует рассматривать как противо-э.д.с. с индуктивностью.

Схема с нулевым выводом (схема Миткевича)

Составным элементом сложных схем выпрямителей трехфазного питания является простая трехфазная схема с нулевым выводом, предложенная Миткевичем (рис. 1). Работа схемы описывается далее.

Рис.1

Основные особенности импульсного метода регулирования

Регулирование напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.

С помощью импульсного преобразователя источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке.

Преобразователи, позволяющие осуществлять широтно-импульсное регулирование напряжения на нагрузке, называют широтно-импульсными преобразователями (ШИП).

ШИП находят широкое применение для регулирования и стабилизации напряжения различных потребителей (электротранспорт, электропривод металлообрабатывающих станков, в бортовых системах и т.д.), что объясняется рядом их преимуществ:

высокий к.п.д., так как потери мощности на регулирующем элементе преобразователя незначительны по сравнению с потерями мощности в случае непрерывного регулирования;

малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, поскольку регулирующим фактором является время проводимости ключа, а не величина внутреннего сопротивления регулирующего элемента, что имеет место при непрерывном регулировании;

малые габариты и масса;

постоянная готовность к работе.

Вместе с тем широтно-импульсным преобразователям присущи и недостатки:

импульсный режим работы регулирующего элемента приводит к необходимости устанавливать выходные фильтры, что вызывает инерционность процесса регулирования в замкнутых системах;

высокие скорости включения и выключения тока в силовой цепи ШИП приводит к возникновению радиопомех.

Несмотря на указанные недостатки, применение импульсных преобразователей перспективно в тех случаях, когда на первое место выдвигаются требования высокой экономичности, надежности, малых габаритов, малой чувствительности к колебаниям температуры, высокой гибкости и точности регулирования.

Выходные каскады ШИП наиболее просто выполнять на полностью управляемых вентилях — транзисторах и двухоперационных тиристорах, отпирание и запирание которых производится по базовым цепям.

Описание работы схемы.

Электрические параметры определяются в общем виде для многофазного выпрямителя с числом пульсаций выпрямленного напряжения за период , для схемы Миткевича .

При активно-индуктивной нагрузке (; ; ) схема может работать в двух режимах. Прерывистость тока в цепи нагрузки зависит не только от диапазона изменения угла регулирования , но и от соотношения параметров нагрузки и . Так же, как и в однофазных схемах, кривая выпрямленного напряжения может иметь отрицательные значения, что объясняется возможностью вентиля пропускать ток при отрицательном напряжении на обмотке данной фазы за счет накопленной энергии в магнитном поле дросселя . При непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях и и ничем не отличается от случая активной нагрузки при . При дальнейшем увеличении угла управления непрерывный режим тока сохраняется только при значительном преобладании индуктивности . Для без больших погрешностей можно считать ток нагрузки идеально сглаженным (рис. 2).

При учете индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора так же, как и в однофазном выпрямителе, имеются интервалы, соответствующие работе одного и двух вентилей.

Рис.2

Рассмотрим режим, соответствующий двум интервалам периода — интервалу одиночной работы вентиля, когда ток в вентиле равен току нагрузки , и интервалу одновременной работы двух смежных по фазе вентилей, называемому интервалом коммутации. В течении интервала коммутации ток в одном вентиле уменьшается от значения до нуля, в другом увеличивается от нуля до значения .

В период коммутации анализ схемы удобно производить методом наложения действий источников синусоидальных э.д.с. вторичных обмоток трансформатора и источника постоянного тока , действующего за счет энергии, накопленной в магнитном поле сглаживающего дросселя к началу коммутации.

Временные диаграммы токов и напряжений в трехфазном управляемом выпрямителе с нулевым выводом при активно-индуктивной нагрузке (; ; ) приведены на рис. 2.

2. Расчет силовой части и выходных каскадов системы управления

Зададим падением напряжения на элементах схемы:

- на активном сопротивлении трансформатора: ;

- на вентилях: В;

- на активном сопротивлении дросселя: .

Определим максимальное и минимальное требуемое выпрямленное напряжение , , учитывая нестабильность и диапазон регулирования выходного напряжения, а также потери в элементах схемы:

,

,

.

где

В;

В;

В;

В;

В.

тогда

В,

В,

В.

Определим максимальные и минимальные токи нагрузки:

Определим максимальное и минимальное напряжение сети:

Рассчитаем минимальное и максимальное значение токов в первичной стороне трансформатора.

Зададим минимальный угол регулирования amin
=и определим :

Найдем и коэффициент трансформации n.

тогда

Рассчитаем максимальные значения тока и напряжения на тиристорах.

Выбираем следующие тиристоры:

ТО 132-40-3 , паспортные данные которого приведены в приложении 3.

Определим максимальный угол регулирования amax
.

Минимальное напряжение на выходе выпрямителя находится из выражения:

(1) (2)

Из (1) и (2) определяем .

Зная , находим максимальный угол регулирования amax
.

Определим параметры нулевого диода:

Максимальный ток через нулевой диод:

А.

Максимальное обратное напряжение на нулевом диоде:

В.

Выбираем следующий нулевой диод:

HER303, 3А, 200 В DO-27, паспортные данные которого приведены в приложении 3.

Произведем расчет трансформатора.

Определяем габаритную мощность трансформатора:

ВА.

Определяем тип магнитопровода: ТЛ20х32-54.

Определяем активное сопротивление трансформатора и индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:

;

.

где — плотность тока в обмотках трансформатора, А/мм2
;

— амплитуда магнитной индукции, Т.

Определяем , из [3]: А/мм2
, Т.

Определяем , :

Ом;

Гн.

Определим :

Ом.

Максимальное значение тока вторичной обмотки трансформатора:

А;

Произведем расчет фильтра:

Определим необходимый коэффициент сглаживания индуктивно-емкостного фильтра по формуле

.

Для нашего случая , тогда получим

.

При коэффициенте сглаживания рекомендуется применять однозвенный фильтр, при — двухзвенный, а трехзвенный — при . Поскольку полученный нами коэффициент лежит в пределах от 22 до 220 то, в соответствии с рекомендациями, применим двухзвенный фильтр.

Поскольку у нас то достаточно фильтр с одного звена.

Коэффициент сглаживания индуктивно-емкостного фильтра можно определить как:

.

Определим произведение :

.

Подставим числовые значения:

ФГн.

Индуктивность дросселя определим из условия непрерывности тока в нем:

.

Подставим числовые значения:

мГн.

Выбираем дроссель PV275-10,

со следующими параметрами: L=0.018 Гн, r = 0.2Ом, I = 20 A.

Падение напряжения на дросселе:

В.

Емкость конденсатора фильтра:

Ф.

Выбираем конденсатор КМ5Б-М47-1800мкф, 10%-"5, паспортные данные которого приведены в приложении 3.

3. Расчет пускового режима

Поскольку происходит коммутация тиристоров, то для расчета переходного процесса, заменяем нашу схему двумя эквивалентными, которые соответствуют двум интервалам работы схемы: и .

Элементы: трансформатор, тиристоры и диод заменяем моделями.

Эквивалентные схемы для двух периодов имеют вид:

1) - период :

Где: — сопротивление тиристора; — сопротивление дросселя.

Представим сумму сопротивлений и сопротивлением .

Схема примет вид:

2)

Где: — сопротивление тиристора; — сопротивление трансформатора; — сопротивление дросселя.

Представим сумму сопротивлений , и сопротивлением .

Схема примет вид:

Определим функции описывающие переходной процесс

Определим функции описывающие переходной процесс для двух период.

Используем операторный метод.

Определим значение :

Определим значение :

Для закона ома в операторной форме справедлива запись:

Но эта запись закона Ома справедлива для расчета переходного процесса в цепи при нулевых начальных условиях. Если же начальные условия не нулевые, форма записи закона Ома в операторной форме будет иметь вид:

где — начальные условия токов в индуктивностях и напряжений на емкостях.

Составим схемы замещения и запишем уравнения описывающие переходной процесс с учетом начальных условиях (при нулевых начальных условиях ).

Для периода :

Используя метод контурных токов, составим систему уравнений:

(1)

Представим это в виде:

(2)

где

Нахождение выражения для тока

Определим через :

Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):

Получаем выражение через , , и :

(3)

Поскольку и , то:

Подставляя найденные выражения в (3), получим выражение тока :

(4)

Нахождение выражения для тока

Определим через :

Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):

Получаем выражение через , , и :

(5)

Поскольку и , то:

Подставляя найденные выражения в (5), получим выражение тока :

(6)

Определяем значения токов в ветвях

Определим напряжение на емкости

Обратные изображения для Лапласа

Обратные изображения Лапласа для и находим в MathCad как функции от , :

Для периода :

в операторной форме можно представить как

(1)

Представим это в виде:

(2), где

Нахождение выражения для тока . Определим через :

Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):